\chapter{绪论}
\section{引言}
在游戏应用和三维建模领域，为了给用户提供优质的视觉体验，往往需要用到较高精度的模型，展现出更多的细节。高精度模型代表着模型拥有更丰富的表面细节以及更加精致的纹理材质，其不仅能为用户提供更好的视觉体验，同时也更加利于开发者对模型进行切割、重组等网格层次的操作。但同时，高精度的模型也意味着更多的顶点数和面数，以及更高复杂度的模型数据，容易造成运行效率低下，数据过于繁杂等问题，给技术人员的开发带来许多的不便和困难，并且许多的游戏和应用软件，考虑到实际使用的情况，其本身在部分制作内容上往往并不需要过高的模型精度，只需要近似的视觉效果，即可满足用户的需求。

考虑到上述实际背景，本文将对高精度模型和低精度模型进行差异对比，利用二者的高度差形成高度贴图，并对低精度模型进行曲面细分，在可接受的范围内，适当提高低精度模型的顶点数和面数等网格信息，最后将优化后的低精度模型和高度贴图利用UE4的蓝图结合，在UE4中还原出近似高精度模型的渲染效果。
\section{国内外研究现状}
高精度模型的渲染显示方式关系到程序运行的效率，用户使用的实际体验。因此，如何在有限的性能下，尽可能的还原出高精度模型应有的清晰度，成为了当今业界一直在研究的重要课题。目前主流的方法有以下几种：
\subsection{模型简化技术}
这种方法的基本思想是根据模型高复杂度的图元网格生成低复杂度的图元网格，并在这一过程中保持图元结构不变。例如当模型采用三角形图元时，可以删除一组顶点中的某一特定顶点，并对这一组顶点重新进行图元划分，或者将网格中的一条边压缩成一个顶点，并退化与该边相邻的三角形图元。也可以采用特定算法将三角形图元转变为四边形图元，将高复杂度的四边形网格转变为低复杂度的四边形网格，并在过程中保持四元结构\cite{tarini2010practical}。模型简化技术在硬件条件一般的设备上可以得到比较流畅的展现效果，但由于对模型进行了大幅简化，模型的清晰度也随之大幅下降\cite{eck1995multiresolution}。
\subsection{细节层次LOD技术}
LOD技术，即Levels of Detail的简称，指指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算\cite{guojun2006keep}\cite{李钦2013分块}\cite{hilbert2004hybrid}。其常规实现思路，是将相机的视野距离划分为不同的LOD层级，而处在不同的LOD层级的物体会匹配不同程度的清晰度。划分好后，计算待渲染物体到相机的距离，得到该距离对应的LOD层级，从而采用对应的清晰度。LOD技术的优点是减少了渲染物体的顶点数和面数，节省了GPU资源；其缺点是增加了CPU的计算和内存的占用率
\subsection{基于GPU的硬件加速技术}
该方法主要利用GPU的特性，将原本应当由CPU完成的任务，交由GPU来完成，从而实现模型加速渲染\cite{losasso2003smooth}\cite{hoppe2005shape}。这种方法要求设备的硬件能力较高，通常需要提前加载完全部模型数据，并且并且在渲染具有高分辨率纹理贴图的模型时会出现一定程度的卡顿。。
\section{论文主要工作}
本论文对应项目的实现主要分为两个部分：

一是分别对高模和低模俯视投影，利用OpenGL深度缓冲获取二者的深度信息，并对其进行差值运算，得到深度差值，即高度差值。由于高低模在绘制过程中可能出现模型本身的局部坐标存在差异的问题，因此在投影时需要人工手动调整，使高低模在水平面上尽量匹配。

二是对低模进行曲面细分，为低模生成新的顶点位置和顶点法线，并生成新的三角形图元，一定程度上增加低模的精度。曲面细分本身需要用到曲面细分控制着色器和曲面细分计算着色器，前者控制曲面细分的程度，包括原三角图元的内部划分和边界划分，后者获取到细分生成后的顶点信息后，运行预设算法，生成的新的顶点、法线等信息。本文采用PN三角形算法，通过设定三角形的三个控制点以及对应的控制点法线，在曲面细分计算着色器中生成新的顶点坐标、顶点法线、纹理坐标并输出，从而实现对低模的曲面细分。
\section{论文的组织与结构}
本论文主体部分由六部分组成，各部分作用分别为：

第一部分：绪论。本章介绍本项目的研究背景，通过分析目前业界对高精度模型和低精度模型的需求取舍，来陈述本项目相关的开发意义，并根据国内外目前主流的应用方式，阐述了本项目的不同之处，最后对本文的主要工作作出介绍。

第二部分：项目涉及的相关技术知识和技术。本章大致讲述了，目前业界主流的提高模型渲染效率的方法，以及其存在的优势和劣势。

第三部分：实验设计思路。本章主要介绍项目主要部分的设计思路，包括以深度值代替高度值的想法，以及采用曲面细分的理由

第四部分：具体的实验和算法。详细讲述了实验步骤和部分细节，以及PN三角形等算法的具体执行。

第五部分：实验结果。本章展示了项目各个部分的实验结果，在并在最后对片面地图的原低模和新生成的低模进行了对照。

第六部分：工作评价和心得体会。本章是论述了本文项目在实现上的优点和不足，并讨论了未来可以进一步改进的地方。最后以作者自己的视角对整个项目进行了回顾和评价。